Что такое энергоемкость аккумулятора
Емкость – основная характеристика аккумулятора. От нее зависит объем энергии, которую способен накопить и отдать источник питания, и время автономной работы питающегося от него оборудования. В случае с электровелосипедами и другими видами персонального электротранспорта от емкости аккумуляторной батареи напрямую зависит расстояние пробега на 1 заряде.
В чем измеряется емкость АКБ?
В вопросе, что такое энергоемкость аккумулятора, рассматривается несколько характеристик – от удельных до абсолютных величин. В технических характеристиках емкость АКБ указывается в ампер-часах (А·ч) и/или ватт-часах (Вт·ч). Более точно возможности источника питания отражает значение в ватт-часах. Это абсолютная емкость. Ее значение показывает, какую мощность может выдавать данная АКБ на протяжении 1 часа, независимо от разрядных токов и напряжения.
Например, батарея энергоемкостью 450 Вт·ч может выдавать мощность 450 Вт на протяжении 1 часа. Удельная энергоемкость измеряется в Вт·ч/кг и показывает, какую мощность может предоставлять данная АКБ массой 1 кг на протяжении 1 часа. Чем больше удельная энергоемкость (другими словами – энергетическая плотность) элементов питания, тем меньше их масса при равной величине накапливаемой энергии.
Емкость в ампер-часах – это уже относительная величина, зависящая от номинального напряжения батареи. Например, литий-ионные аккумуляторы имеют номинальное напряжение 3,7 В на элемент, а литий-железо-фосфатные (LiFePO4) – 3,2 В. Для набора необходимого напряжения – 36 В, 48 В и т.д. – элементы питания соединяются в батарею последовательно. Для суммирования емкости ячеек они соединяются параллельно.
Перевод емкости из А·ч в Вт·ч
Чтобы рассчитать абсолютную постоянную энергоемкость в Вт·ч, зная значение в А·ч, нужно умножить его на номинальное напряжение АКБ:
Например, для батареи емкостью 13 А·ч и вольтажом 36 В абсолютная энергоемкость составит 13 А·ч х36 В = 468 Вт·ч.
Аналогично, зная абсолютную постоянную энергоемкость батареи в Вт·ч, можно рассчитать ее реальную емкость при определенном рабочем напряжении оборудования. Для этого достаточно разделить абсолютную емкость в ватт-часах на рабочее напряжение нагрузки в вольтах:
Например: 468 Вт·ч :36 В =13 А·ч, а 468 Вт·ч :24 В =19,5 А·ч.
О напряжении
Чаще всего АКБ электровелосипедов имеют рабочее напряжение 24, 36 или 48 В. С его возрастанием обычно увеличивается и максимально развиваемая скорость е-байка. Конечно, на мощность и скорость электровелосипеда влияют и другие факторы, такие как мощность мотора и эффективность трансмиссии. Но все же мощные и скоростные е-байки обычно оснащаются АКБ с напряжением 48 В и выше.
Выводы: на что влияет энергоемкость АКБ электровелосипеда
От этой характеристики зависит дальность поездок на 1 заряде батареи. Ориентировочно при езде в наиболее экономичном режиме – по ровному асфальту, без резких разгонов и торможений, встречного ветра и других препятствий – на каждый километр пути тратится 8–10 Вт·ч энергии литиевой аккумуляторной батареи (без кручения педалей). При вращении педалей велосипедист уменьшает потребляемый мотором ток, поэтому и запас энергии батареи расходуется экономнее.
Наиболее точно и наглядно емкость характеризует ее абсолютная постоянная величина, измеряемая в ватт-часах. Зная ее, легко определить и ориентировочную дальность хода на 1 заряде, и относительную емкость в ампер-часах, которая зависит от номинального напряжения питаемого оборудования.
Основные характеристики аккумуляторов
Значения напряжения и емкости обычно входят в название модели батареи. Например: RA12-200DG — батарея напряжением 12 вольт и емкостью 200 ампер*часов, гелевая, глубокого разряда. Это значит, что батарея может выдать в нагрузку энергию 12 х 200 = 2400 Вт*ч при 10 часовом разряде током в 1/10 от емкости. При больших токах и быстром разряде емкость батареи понижается. При меньших токах — обычно увеличивается. Это можно видеть на графике разрядных характеристик аккумуляторных батарей. Также, нужно смотреть на разрядные характеристики на конкретные батареи. Иногда производители в названии пишут завышенную емкость аккумулятора, которая имеет место только в идеальных условиях — так, например, делает Haze (у аккумуляторов Haze реальная емкость процентов на 10-20 ниже, чем указано в названии батареи).
При разряде током в 0,1 С время работы составляет 10 часов и батарея полностью выдаст в нагрузку аккумулированную энергию. При разряде током 2 С (в 20 раз большим) время работы будет около 15 минут (1/4 часа) и при этом батарея выдаст в нагрузку только половину аккумулированной энергии. При больших токах разряда это значение еще меньше. Зачастую в источниках бесперебойного питания аккумуляторные батареи работают в еще более тяжелых режимах, при которых токи разряда достигают 4 С. При этом время разряда сравнимо с 5 минутами и батарея выдает в нагрузку менее 40% энергии.
Емкость батареи
Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее емкостью. Она измеряется обычно в ампер-часах, хотя правильнее приводить значения в ватт-часах.
Емкость (Вт*ч) = U*I*t
где U — напряжение аккумулятора, В; I — ток, который он может отдавать в течение времени t.
Так как обычно принимается, что для различных аккумуляторов напряжение одинаковое, то из формулы убирается напряжение, и остается емкость в ампер-часах.
Напряжение
Напряжение на аккумуляторе зачастую является основным параметром, по которому можно судить о состоянии и степени заряженности аккумулятора. Особенно это относится к герметизированным аккумуляторам, у которых не возможно измерить плотность электролита.
Напряжение при заряде, разряде и отсутствии тока очень сильно отличаются. Для определения степени заряженности аккумулятора измеряют напряжение на его клеммах при отсутствии как зарядного, так и разрядного токов в течение как минимум 3-4 часов. За это время напряжение обычно успевает стабилизироваться. Значение напряжения при заряде или разряде ничего не скажет от состоянии или степени заряженности АБ . Примерная зависимость степени заряженности аккумулятора от напряжения на его клеммах в режиме холостого хода, приведена в таблице ниже. Это типичные значения для стартерных аккумуляторов с жидким электролитом. Для герметизированных аккумуляторов (AGM и гелевых) обычно эти напряжения немного выше (нужно запрашивать производителя) — например, AGM батареи полностью заряжены, если напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В).
Степень заряженности
Степень заряженности зависит от очень многих факторов, и точно ее могут определить только специальные зарядные устройства с памятью и микропроцессором, которые отслеживают как заряд, так и разряд конкретного аккумулятора в течение нескольких циклов. Этот метод наиболее точный, но и наиболее дорогой. Однако он сможет сэкономить много денег при обслуживании и замене аккумуляторов. Применение специальных устройств, контролирующих работу аккумуляторов по степени их заряженности, позволяет очень сильно повысить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов. Ряд предлагаемых нами контроллеров для солнечных батарей имеют встроенные устройства вычисления степени заряженности аккумулятора и регулируют заряд в зависимости от ее величины.
- Напряжение на аккумуляторе. Этот способ наименее точный, но требует только наличия цифрового вольтметра, способного измерять десятые и сотые доли вольта. Перед измерениями нужно отсоединить от аккумулятора всех потребителей и все зарядные устройства и подождать как минимум 2 часа. Затем можно измерить напряжение на терминалах аккумулятора. Ниже в таблице приведены напряжения для аккумуляторов с жидким электролитом. Для полностью заряженной новой AGM или гелевой батареи напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В). По мере старения аккумуляторов это напряжение снижается. Можно измерять напряжение на каждой банке аккумулятора, чтобы найти неисправную банку (разделите напряжение для 12В на 6 для того, чтобы определить нужное напряжение на одной банке).
- Второй метод определения степени заряженности — по плотности электролита. Этот метод подходит только для аккумуляторов с жидким электролитом.
Также, нужно подождать 2 часа перед измерениями. Для измерения используется ареометр. Обязательно наденьте резиновые перчатки и защитные очки! Держите рядом пищевую соду и воду на случай, если вода попадет на кожу.
| Степень заряженности | Батарея 12В | Батарея 24 В | Плотность электролита |
| 100 | 12.70 | 25.40 | 1.265 |
| 95 | 12.64 | 25.25 | 1.257 |
| 90 | 12.58 | 25.16 | 1.249 |
| 85 | 12.52 | 25.04 | 1.241 |
| 80 | 12.46 | 24.92 | 1.233 |
| 75 | 12.40 | 24.80 | 1.225 |
| 70 | 12.36 | 24.72 | 1.218 |
| 65 | 12.32 | 24.64 | 1.211 |
| 60 | 12.28 | 24.56 | 1.204 |
| 55 | 12.24 | 24.48 | 1.197 |
| 50 | 12.20 | 24.40 | 1.190 |
| 40 | 12.12 | 24.24 | 1.176 |
| 30 | 12.04 | 24.08 | 1.162 |
| 20 | 11.98 | 23.96 | 1.148 |
| 10 | 11.94 | 23.88 | 1.134 |
Срок службы аккумуляторов
Неправильно определять срок службы аккумуляторов в годах или месяцах. Срок службы батареи определяется числом циклов заряд-разряд и значительно зависит от условий ее эксплуатации. Чем глубже разряжается батарея, чем большее время она находится в разряженном состоянии, тем меньшее число возможных циклов работы.
Само понятие «количество рабочих циклов «заряда-разряда» аккумулятора» относительное, так как сильно зависит от различных факторов. Кроме того, значение количества рабочих циклов, например для одного типа аккумулятора, не является универсальным понятием, так как зависит от технологии, различной у каждого из производителей.Срок службы аккумуляторов определяется в циклах, поэтому время работы в годах — приблизительное и рассчитано для типичных условий работы. Поэтому, если, например, в рекламе указано, что срок службы аккумуляторов составляет 12 лет, это значит, что производитель посчитал срок службы для буферного режима с средним числом циклов заряд-разряд 8 в месяц. Например, для AGM аккумуляторов Haze указывается срок службы 12 лет и максимальное число циклов 1200 при разряде на 20%. В год получается 100 таких циклов, в месяц — около 8.
Еще один важный момент — в процессе эксплуатации полезная емкость аккумулятора уменьшается. Все характеристики по количеству циклов обычно приводятся не до полной смерти аккумулятора, а до момента потери им 40% своей номинальной емкости. Т.е, если производителем приведено количество циклов 600 при 50% разряде, это значит, что через 600 идеальных циклов (т.е. при температуре 20С и разряде током одной величины, обычно 0,1С) полезная емкось аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.
Как определить, что аккумулятор уже близок к окончанию своего срока службы? Очень просто — у аккумулятора повышается внутреннее сопротивление, это приводит к более быстрому росту напряжения при заряде (и, соответственно, снижению времени, требуемого для заряда), и более быстрому разряду аккумулятора. Если заряд производится током, близким к предельно допустимому, умирающий аккумулятор будет нагреваться при заряде сильнее, чем раньше.
Максимальные токи заряда и разряда
Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно ее емкости. Обычно для аккумуляторов максимальный ток заряда не должен превышать 0,2-0,3С. Превышение зарядного тока ведет к сокращению срока службы аккумуляторов. Мы рекомендуем устанавливать максимальный ток заряда не более 0,15-0,2С. Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального зарядного и разрядного токов.
Примечание: это «правило большого пальца», полезное при грубой оценке допустимых токов, для более точной информации обратитесь к паспорту на ваш аккумулятор.
Зарядные и разрядные характеристики сильно зависят от химического состава аккумулятора. Также, многое зависит от конструкции аккумулятора — объем электролита, толщина пластин, покрытия, плотность электролита и т.п. Некоторые аккумуляторы разработаны для разрядом малыми токами долгое время, другие могут работать при больших токах короткое время.
Ниже приведена таблица с типичными значениями основных параметров аккумуляторов.
Саморазряд
Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены в отсутствие внешнего потребителя тока.
Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCD аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH – немного больше, а для Li-ION пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев.
Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Глубокий его разряд и последующий заряд увеличивают ток саморазряда.
Саморазряд аккумуляторов в основном обусловлен выделением кислорода на положительном электроде. Этот процесс еще больше усиливается при повышенной температуре. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.
В некоторой степени саморазряд зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Потери емкости могут быть вызваны повреждением сепаратора, когда образования слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды. Это обычно происходит из–за неправильного обслуживания аккумулятора, его отсутствия или применения несоответствующих или некачественных зарядных устройств. У изношенного аккумулятора пластинки электродов разбухают, слипаясь друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда, при этом поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряда/разряда.
Каргиев Владимир, «Ваш Солнечный Дом»
©При цитировании ссылка на эту страницу и на «Ваш Солнечный Дом» обязательна
Дополнительная информация по теме в Разделе «Библиотека«. Настоятельно рекомендуем почитать эту статью
Харакеристики аккумуляторов: ГЛОССАРИЙ
Емкость (С) — энергия, которую способен отдать аккумулятор в нагрузку, выражаемая в ампер-часах (А·ч, мA·ч). Она будет больше при следующих условиях: меньшем токе разряда, разряде с меньшими перерывами, более высокой температуре окружающей среды, а также более низком конечном напряжении.
Номинальная емкость — номинальное значение емкости: количество энергии, которую способен отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде в строго определенных условиях.
Саморазряд — потеря емкости в отсутствие внешнего потребителя тока.
Срок службы батареи — наработка, при которой разрядная емкость сделается меньше определенной нормированной величины, обычно оценивается рабочим количеством циклов «заряд-разряд».
Срок хранения — максимальный период времени, в течение которого батарея может храниться при оговоренных условиях, не требуя дополнительной зарядки.
Грандиозное тестирование батареек
Каждый раз при покупке батареек у меня возникало много вопросов:
Насколько дорогие батарейки лучше дешёвых?
Насколько ёмкость литиевых батареек больше обычных?
Насколько ёмкость солевых батареек меньше, чем у щелочных?
Отличаются ли батарейки для цифровых устройств от обычных?
Какие из батареек, стоящих одинаково, лучше покупать?
Чтобы получить ответы на эти вопросы я решил протестировать все батарейки АА и ААА, которые удастся найти в Москве. Я собрал 58 видов батареек АА и 35 видов ААА. Всего было протестировано 255 батареек — 170 АА и 85 ААА.
В начале года я протестировал 18 батареек формата АА и ААА и опубликовал пост Большое тестирование батареек. Он вызвал огромный интерес, его просмотрели более 150 тысяч раз в ЖЖ и растащили по всему интернету. После этого Олег Артамонов отдал мне свой анализатор батареек и я решил сделать глобальный тест.
Для повышения точности измерений анализатор батареек не использует ШИМ — он создаёт постоянную резистивную нагрузку на батарейку. Прибор может работать в разных режимах. Для тестирования батареек АА использовались три основных режима:
• Разряд постоянным током 200 mA. Такая нагрузка свойственна для электронных игрушек;
• Разряд импульсами 1000 mA (10 секунд нагрузка, 10 секунд пауза). Такая нагрузка свойственна для цифровых устройств;
• Разряд импульсами 2500 mA (10 секунд нагрузка, 20 секунд пауза). Такая нагрузка свойственна для мощных цифровых устройств — фотоаппаратов, вспышек.
Кроме того по четыре батарейки были разряжены маленькими токами 50 и 100 mA.
Измерение делались при разряде батареек до напряжения 0.7 V.
Все данные тестирования сведены в таблицу: nadezhin.ru/lj/ljfiles/bat_ammo1.xls
По графику разряда отлично видно, как ведут себя батарейки разных типов.
Разряд батареек АА током 200 mA:
Первые пять линий — солевые батарейки. Хорошо видно, насколько меньше их ёмкость.
Последние три линии — литиевые батарейки. Они не только имеют большую ёмкость, но и разряжаются по-другому: напряжение на них не снижается почти до самого конца, а затем резко падает. Особенно ярко это выражено у батарейки GP Lithium. Кроме того литиевые батарейки могут работать на морозе.
Среди множества похожих щелочных батареек хорошо видны два аутсайдера — Sony Platinum и Panasonic Alkaline и два лидера — Duracell Turbo Max и Ansmann X-Power. Остальные батарейки отличаются между собой по ёмкости всего на 15%.
Вы можете изучить каждую батарейку на интерактивном графике разряда: nadezhin.ru/lj/ljfiles/aa200.html. Если навести мышку на любую точку графика, отобразится название батарейки. Если щёлкнуть по точке, выделится кривая разряда этой батарейки. Можно также щёлкать по названиям батареек внизу. За интерактивные графики огромное спасибо Алексею Тягелову. К сожалению на интерактивном графике неправильно отображается время разряда. Фактически оно вчетверо меньше.
На первой диаграмме батарейки АА отсортированы по ёмкости при токе разряда 200 mA.
Батарейки Duracell Turbo Max действительно имеют ёмкость, немного большую, чем у всех остальных щелочных батареек, однако мне попалась одна упаковка Duracell Turbo Max, которые были значительно хуже других. По ёмкости они соответствовали обычным дешёвым батарейкам. В таблице и на графиках они помечены «Duracell Turbo Max BAD». Пост об этих батарейках: ammo1.livejournal.com/548534.html.
Из диаграммы хорошо видно, что разные батарейки по-разному проявляют себя при разряде большими и малыми токами. Например Camelion Plus Alkaline даёт больше энергии, чем Camelion Digi Alkaline на маленьком токе. А на большом всё наоборот. Как правило на батарейках, рассчитанных на большие токи указывают, что они предназначены для цифровых устройств. При этом есть множество универсальных батареек, отлично работающих с любыми токами.
Я усреднил количество энергии, которое батарейки выдают на больших и малых токах и на основе результатов и цены батареек (которая в некоторых случаях только приблизительна) составил диаграмму стоимости одного ватт-часа для всех батареек АА.
Все типы батареек ААА были разряжены постоянным током 200 mA. Некоторые типы батареек ААА были подвергнуты второму тесту — разряду током 1000 mA в режиме «постоянное cопротивление» (ток при этом снижался по мере разряда). Этот режим эмулирует работу батареек в фонаре.
В формате AAA Duracell Turbo Max оказался далеко не лучшей щелочной батарейкой. У многих дешёвых батареек (например Ikea, Navigator, aro, FlexPower) ёмкость была больше.
Интерактивный график разряда батареек ААА: nadezhin.ru/lj/ljfiles/aaa200.html.
Технические выводы:
• Большинство щелочных батареек отличается между собой по ёмкости всего на 15%;
• Литиевые батарейки имеют в 1.5-3 раза (в зависимости от тока нагрузки) большую ёмкость, чем щелочные;
• В отличие от щелочных, напряжение на литиевых батарейках почти не снижается в процессе разряда;
• Солевые батарейки в 3.5 раза хуже щелочных на малых токах и совсем не могут работать на больших;
• Существуют три вида щелочных батареек: универсальные, рассчитанные на малые токи нагрузки и рассчитанные на большие токи нагрузки. При этом универсальные лучше двух других на всех токах.
Потребительские выводы:
• Солевые батарейки покупать нецелесообразно. Даже в устройствах с самым малым потреблением щелочные (Alkaline) прослужат гораздо дольше за счёт своего большого срока годности;
• Выгоднее всего покупать батарейки, продающиеся под брендами магазинов Ашан и Ikea;
• В других магазинах можно смело покупать самые дешёвые щелочные батарейки;
• Из того, что продаётся в продуктовых магазинах, лучший выбор — GP Super;
• Литиевые батарейки дорогие, зато они лёгкие, ёмкие и могут работать на морозе.
Большинство батареек предоставили оптовые компании Источник Бэттэрис, и Энергосистемы и Технологии. Свои батарейки предоставили компании Ikea, Camelion, Navigator. Часть батареек я купил в магазинах Ашан, Метро, Окей, Юлмарт, Пятёрочка, Дикси.
Эта статья писалась почти год, поэтому все цены даны по состоянию на лето 2014 года.